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离心机中动冰荷载的模拟中的电磁式激振器原理图解

吸力式基础的应用起源于欧洲,最初用作浮动结构的锚固基础,1994 年欧洲 Europipe16/-11E 第一次将海洋采油平台建在吸力式基础上。由于这种基础具有施工速度快,便于运输和安装,勘察深度浅,可以再利用等优点,因此逐渐在海洋工程中得到了广泛的应用和发展。

二十世纪 90 年代以来,我国石油部门对这种基础产生了浓厚的兴趣,并准备在渤海地区油气开发中加以应用。渤海地区冬季有三个月左右的冰冻期,海冰激振形成的动荷载对平台的稳定构成严重的威胁。动冰力成为渤海海域平台设计的控制荷载之一。为此,受中国科学院力学研究所委托,结合渤海地区的地质条件,清华大学开展了冰荷载作用下的吸力式基础离心模型试验研究。

离心模型试验中动荷载的模拟非常重要。第一代动加载设备是气动千斤顶,采用换向阀门控制往复运动,对结构施加竖向和横向循环荷载,荷载频率较低,大致在 1 Hz 左右。第二代是采用液压伺服激振器,可以对结构施加 0.001~10 Hz 的循环荷载;离心机振动台所采用液压伺服式激振器属于这一类,其激振频率可以达到 350 Hz,但是激振时间非常短,一般小于 2 s。

介绍了中国科学院力学研究所和清华大学联合研制的用于离心机的电磁式激振器及其在 100 g 下离心模型试验中的应用。它可在 100 g 离心加速度下,对海洋平台吸力式基础施加一个长历时(20 min),高频率(100 Hz)水平循环荷载,荷载峰值达 98 N 以上。 


电磁式激振器原理

施加在吸力式基础上的动冰荷载峰值为 980 kN,频率为 1 Hz。根据离心模型相似律,100 g 下激振器对吸力式基础要施加一个幅值为 98 N、频率为 100 Hz的水平动荷载。

图 1 为电磁式激振器的结构剖面图。图 2 为激振器控制系统示意图。激振器主要是由永磁铁和银质薄壁线圈构成的动圈组成。动圈处于永磁铁形成的强磁场中,当通以交流电时,动圈因受到不断变化的电磁力而在磁场中往复运动,并通过动圈上的激振杆将惯性力施加到模型上。表 1 是激振器的设计技术参数。

电磁式激振器原理图

图 1 电磁式激振器

Fig.1 Electromagnetic actuator

激振器加载控制系统示意图

图 2 激振器加载控制系统示意图 

Fig.2 Loading and controlling system of the actuator

设计中有两个技术难点:

①激振器在高离心加速度场中,其动圈的重量因此增加 100 倍。动圈放置在永磁铁中与动圈形状相同的间隙中。为了减少磁场损耗,该间隙很小。在自身增大的重力作用下,动圈受到弯矩作用而产生变形,使动圈的振动轨迹发生偏离,变形的动圈还可能与永磁铁发生摩擦甚至卡住。为了克服这一困难,在动圈的两端设置圆形薄片弹簧,将动圈悬挂在磁铁间隙中。薄片弹簧起导向作用以限制动圈在圆周方向的变形。同时动圈与一精密的线性轴承相连接,从而保证动圈的振动轨迹不发生偏离。

②为了保证模型箱不会因激振器的振动而产生振动,激振器质量越小越好。但是通常加载设备的出力是与质量成正比的。综合考虑技术要求,采用导电性好的银质线圈绕成动圈。动圈的质量为 500 g,激振器质量为 14 kg。